De aard van donkere materie blijft een van de grote onopgeloste puzzels van de fundamentele fysica. Onverklaarbaar door het standaardmodel, donkere materie heeft ertoe geleid dat wetenschappers nieuwe natuurkundige modellen hebben onderzocht om het bestaan ​​ervan te begrijpen. Veel van dergelijke theoretische scenario's veronderstellen dat donkere materiedeeltjes kunnen worden geproduceerd in de intense hoogenergetische proton-protonbotsingen van de LHC. Terwijl de donkere materie ongezien aan het ATLAS-experiment bij CERN zou ontsnappen, het kan af en toe gepaard gaan met een zichtbare straal deeltjes die wordt uitgestraald vanaf het interactiepunt, waardoor een detecteerbaar signaal wordt verkregen.

De ATLAS-samenwerking wilde precies dat vinden, het vrijgeven van een nieuwe zoektocht naar nieuwe fenomenen bij botsingen met jets en een hoog ontbrekend transversaal momentum (MET). De zoektocht was bedoeld om gebeurtenissen te ontdekken die zouden kunnen wijzen op het bestaan ​​van natuurkundige processen die buiten het standaardmodel liggen en, daarbij, open een venster naar de kosmos.

Om dergelijke gebeurtenissen te identificeren, natuurkundigen maakten gebruik van het principe van behoud van impuls in het transversale detectorvlak - dat wil zeggen, loodrecht op de richting van de straal - op zoek naar zichtbare stralen die terugdeinzen voor iets onzichtbaars. Aangezien evenementen met jets gebruikelijk zijn in de LHC, natuurkundigen verfijnden hun parameters verder:de gebeurtenissen moesten ten minste één zeer energetische jet en significante MET hebben, gegenereerd door de onbalans in het momentum van de "onzichtbare" deeltjes. Dit staat bekend als een monojet-evenement, waarvan een spectaculair voorbeeld te zien is in figuur 1. een evenementdisplay uit 2017 met de tot nu toe door ATLAS geregistreerde monojet met het hoogste momentum (1,9 TeV).

Een overvloed aan exotische verschijnselen, niet direct detecteerbaar door collider-experimenten, zou ook deze karakteristieke monojet-signatuur kunnen hebben opgeleverd. ATLAS-natuurkundigen wilden daarom hun studie inclusief verschillende nieuwe natuurkundige modellen maken, inclusief die met supersymmetrie, donkere energie, grote extra ruimtelijke afmetingen, of axion-achtige deeltjes.

Bewijs van nieuwe fenomenen zou worden gezien in een overmaat aan botsingsgebeurtenissen met grote MET in vergelijking met de verwachting van het standaardmodel. Het nauwkeurig voorspellen van de verschillende achtergrondbijdragen was een belangrijke uitdaging, omdat verschillende overvloedige standaardmodelprocessen de signaaltopologie exact kunnen nabootsen, zoals de productie van een jet plus een Z-boson, die vervolgens vervalt tot twee neutrino's die ook ATLAS verlaten zonder direct te worden gedetecteerd.

Natuurkundigen gebruikten een combinatie van gegevensgestuurde technieken en zeer nauwkeurige theoretische berekeningen om de achtergrond van het standaardmodel te schatten. De totale achtergrondonzekerheid in het signaalgebied varieert van ongeveer 1% tot 4% in het bereik van MET tussen 200 GeV en 1,2 TeV. De vorm van het MET-spectrum werd gebruikt om het onderscheidingsvermogen tussen signalen en achtergronden te verbeteren, waardoor het ontdekkingspotentieel wordt vergroot. Figuur 2 toont een vergelijking van het MET-spectrum waargenomen in de gehele dataset verzameld uit het ATLAS-experiment tijdens Run 2 (2015-2018), en de verwachting van het Standaardmodel.

Aangezien er geen significante overschrijding werd waargenomen, natuurkundigen gebruikten de mate van overeenstemming tussen gegevens en de voorspelling om grenzen te stellen aan de parameters van nieuwe natuurkundige modellen. In de context van zwak-interagerende massieve deeltjes (een populaire kandidaat voor donkere materie), Natuurkundigen van ATLAS waren in staat deeltjesmassa's van donkere materie tot ongeveer 500 GeV en interactie-axiale-vectormediatoren tot 2 TeV uit te sluiten, beide met een betrouwbaarheidsniveau van 95%. Deze resultaten bieden tot nu toe de strengste limieten voor donkere materie in botsingsexperimenten, en een mijlpaal van het ATLAS-zoekprogramma.